瞭解同軸配接器的基礎知識以善用此實用元件

電子儀器設備的使用者，若要傳送或接收高頻電氣訊號，都對同軸連接不陌生，因為其應用相當普遍。由於如此普遍，因此這個連接類型幾乎是理所當然的選擇，直到要一次連接多個儀器或延長同軸纜線時才會發現問題。此時，設計人員或其他設備使用者就得求助配接器；但在那之前，必須針對其可能使用的各種配接器，徹底瞭解其用意與特性。

配接器如此多樣都有其原因。「T 型」可將一個訊號源接到多個儀器，「筒型」則可延長同軸纜線連接。還有直流阻隔器、T 型偏壓器、阻抗匹配器、突波保護器、及端子等都相當常用，但人員可能並未完全瞭解。要正確使用這些配接器，必須對傳輸線路有基本的知識，且要謹慎挑選。

本文將概述傳輸線路。接著會介紹多種同軸配接，說明其操作方式以及如何達到最佳應用。此外也會使用來自 Amphenol RF、Amphenol、Times Microwave Systems 及 Crystek Corporation 的實際產品舉例說明。

傳輸線路為何？

傳輸線路，無論是同軸纜線、扁平線、微帶線或其他樣式，都可將一個訊號源接至負載。傳輸線路有一個特性阻抗值，是由導線實際尺寸、導線間隔以及用來隔離導線的介電材料所決定。同軸纜線針對一般 RF 作業，絕大多數都具有 50 Ω 的特性阻抗值，針對視訊應用則有 75 Ω。

為了確保從訊源傳輸功率到負載時的最大效率，訊源的阻抗、傳輸線的特性阻抗，以及負載阻抗都應匹配。若阻抗不同，部分能量會從不匹配的接點反射。舉例而言，若負載阻抗與訊源及傳輸線的阻抗不同，能量會從負載反射回到訊源 (圖 1)。

圖 1：同軸線路若有不匹配的負載，會將能量從負載反射回到訊源，進而在傳輸路徑中產生駐波。(圖片來源：DigiKey)

入射及反射波會沿著傳輸路徑彼此結合進而形成駐波，而駐波幅度會隨著路徑的實際長度定期變化。駐波會導致量測誤差且會導致元件受損。訊源、傳輸線及負載的阻抗匹配可避免形成駐波，即有助於確保以最有效的方式從訊源傳輸功率到負載。

基於阻抗匹配的要求，務必使用正確的配接器，但設計人員很快就會發現，配接器的種類太多且各有不同，而且往往提供不只建立基本連接的功能。

T 形配接器

基本儀器系統由單一訊源、示波器及頻譜分析器組成 (圖 2)。

圖 2：此範例中使用一個 T 形配接器連接三個儀器，需要調整示波器的輸入阻抗以免訊源不匹配。(圖片來源：DigiKey)

訊源的輸出阻抗為 50 Ω，預計在 50 Ω 負載操作。若使用 T 形配接器來連接示波器與頻譜分析器，且兩者輸入端子皆設定成 50 Ω，訊源會測得 25 Ω 負載，因此會降低輸出並在纜線上設定駐波。此處的秘訣在於將同軸佈線中間的儀器設定到高阻抗輸入端子，同軸佈線遠端的儀器則設定到 50 Ω 輸入端子，如圖所示。訊源會將此視為 50 Ω 負載，因此一切就會正常運作。

Amphenol RF 的 112461 (圖 3) 屬於 BNC T 形配接器，具有一個 BNC 插頭、兩個 BNC 插孔，頻寬為 4 GHz。可用於範例所示的組態，搭配頻寬低於 4 GHz 的儀器。

圖 3：Amphenol 的 112461 BNC T 形配接器提供 4 GHz 頻寬。如圖 1 範例所示，插頭接至示波器輸入，同軸纜線則從 BNC 插孔接至訊源與頻譜分析器。(圖片來源： Amphenol RF)

挑選 T 形配接器類型時，應依據儀器所用的連接器，以及個別儀器的頻寬而定。一般來說，同軸配接器，如 T 形等，都未提供超出 40 GHz 頻寬的類型，因為在此頻率下，訊號損耗會導致配接器發生問題。針對通常有配接器可搭配的常見儀器同軸連接器，在此提供清單及其明顯的屬性 (圖 1)。

表 1：有配接器可搭配的常見同軸連接器系列。超過 40 GHz 的配接器會有損耗，因此不適合用於工作。(表格來源：DigiKey)

連接器系列配接器

連接器種類眾多，因此催生出將一種連接器轉接至另一種的需求。試想一個情況，必須將 SMA 纜線從輸入 BNC 連接器接到示波器或頻譜分析器。針對此情況，Amphenol RF 的 242103 有提供一個 BNC 插頭可接到儀器，也有一個 SMA 插孔可接受 SMA 纜線 (圖 4)。

圖 4：BNC 對 SMA 配接器可插在 BNC 插孔與 SMA 插頭中間，以便將 SMA 纜線接至儀器輸入端。(圖片來源：Amphenol RF)

設備使用者應記得，無論何時使用配接器，互連元件的頻寬都必須降低至兩個連接器系列的較低頻寬。若是 BNC 對 SMA 配接器，頻寬需使用 4 GHz，依據 BNC 而來。

也有配接器可提供從 50 Ω 變更至 75 Ω 以及反向變更的阻抗值。

筒狀與隔板配接器

要延長纜線或將纜線穿透面板需使用直通 (筒狀) 或隔板式配接器。這些配接器可用於表 1 所列的連接器系列。以 Amphenol RF 的 132170 隔板式配接器為例，其具有兩個 SMA 插孔，能讓纜線使用 SMA 插頭連接到隔板或面板的任一面。

圖 5：隔板式 SMA 連接器可安裝在面板上讓同軸連接穿越範例。(圖片來源：Amphenol RF)

筒狀連接器可配置成插孔對插孔，或插頭對插頭，以及較少使用的插頭對插孔。

端子

將多個高阻抗輸入儀器從 50 Ω 訊源進行串聯需要一個 50 Ω 的端子 (圖 6)。

圖 6：將多個高阻抗輸入裝置接到 50 Ω 訊源時，需要外接 50 Ω 端子以免同軸線路中發生反射。(圖片來源：DigiKey)

Amphenol RF 的 202120 50 Ω 端子就是同軸端子配置成 BNC 插孔的範例之一。

圖 7：Amphenol RF 的 202120 是 50 Ω 端子，配置成 BNC 插孔。(圖片來源：Amphenol RF)

BNC 插孔可直接接受同軸纜線。也有 BNC 插頭樣式的端子可配接 BNC 插孔。將儀器直接端接到前面板時此端子就相當有用。雖然絕大多數示波器可提供高阻抗與 50 Ω 輸入，但 50 Ω 示波輸入端通常會有 5 V 的電壓限制。示波器的 50 Ω 輸入端也有 0.5 W 功率限制。202120 的額定值為 1 W，可處理超過 7 V。

也有提供適合其他阻抗的端子。例如，75 Ω 端子就常用於電視與視訊應用。校正網路分析器時會使用零歐姆或短路端子。

直流阻隔器與T 型偏壓器

直流阻隔器屬於同軸配接器，可阻隔直流訊號並讓 RF 訊號通行。可用來保護敏感的 RF 元件以免受到 DC 影響，因為電容會阻擋 DC。直流阻隔器分為三種：

• 內部直流阻隔器使用單一電容串聯同軸纜線的內部或中心導線。
• 外部直流阻隔器有一個電容，並與同軸纜線的屏蔽導線串聯。
• 內部／外部直流阻隔器的電容則與內部及外部導線串聯。

所有類型的直流阻隔器都指定用於特定的特性阻抗值，通常為 50 或 75 Ω。Crystek Corporation 的 CBLK-300-3 屬於 50 Ω、內部導線直流阻隔器，能讓 300 kHz 至 3 GHz 的頻率通行，同時阻擋高達 16 V 的 DC 位準，且在工作頻率範圍內，僅有低插入及回波損耗。

圖 8：Crystek 的 CBLK-300-3 會阻擋 DC，並讓頻率介於 300 kHz 至 3 GHz 的訊號通行。(圖片來源： Crystek Corporation)

T 型偏壓器

此 T 型偏壓器與直流阻隔器有所關聯。此為三埠配接器，DC 電力會施加到其中一個連接埠。第二埠會將 DC 偏壓與來自隔離式 RF 連接埠的入射 RF 訊號結合 (圖 9)。

圖 9：此 T 型偏壓器有三個連接器：一個用於施加 DC 偏壓、第二個是隔離式 RF 連接埠，第三個則將 RF 訊號與 DC 偏壓結合。(圖片來源：Crystek Corporation)

T 型偏壓器可用來供應電力給遠端電子裝置，如裝在天線上且具有 DC 電力的低雜訊放大器 (LNA)，同時也提供一個免 DC 的連接埠以連接 RF 接收器。DC 偏壓會透過串聯電感施加，此電感會阻擋 RF 而不會施加到 DC 電源。如同直流阻隔器，純 RF 連接埠會透過串聯電容與 DC 輸入進行隔離。組合式連接埠可讓 RF 與 DC 元件通行。

Crystek Corporation 的 BTEE-01-50-6000 屬於 T 型偏壓器，具有 50 MHz 至 6 GHz 的 RF 頻寬並使用 SMA 插孔。RF 連接埠可接受最大功率為 2 W 的 RF 訊號。DC 連接埠的最大 DC 輸入為 16 V。T 型偏壓器的插入損耗典型值在 2 GHz 時為 0.5 dB。工作時，RF+DC 的組合埠會接至 LNA 與天線。DC 電源會接至 DC 連接埠，接收器則接至 RF 連接埠。

線路濾波器

線路濾波器也是實用的同軸配接器。低通、高通與帶通濾波器皆可用於 BNC 或 SMA 連接器類型。這些連接器可用來控制在纜線上傳輸的訊號頻譜。舉例來說，為了測量類比數位轉換器 (ADC) 中的有效位元數，需在訊號產生器與 ADC 之間置入低通濾波器。此濾波器可將產生器的諧波位準衰減，進而大幅改善量測準確度。如此即可使用較低成本的訊號產生器。

Crystek 的 CLPFL-0100 第七階、100 MHz 低通濾波器就是此類裝置的良好範例之一，其截止頻率為 100 MHz (圖 10)。

圖 10：CLPFL-0100 屬於七極、100 MHz 低通濾波器，可成列直插到 SMA 纜線中。(圖片來源：Crystek Corporation)

100 MHz 的輸入訊號會將其二次諧波衰減 30 dB，較高諧波則會衰減超過 60 dB。若上述範例的訊號產生器具有 -66 dB 的諧波位準規格，濾波器則會將其降低到 -96 dB 以下。

突波保護器

突波保護器有時稱為避雷裝置，可保護敏感電子裝置以免受到暫態突波的影響，如打雷等。可利用火花隙、氣體管或二極體進行電氣崩解，將電氣突波放電到接地，以免破壞受保護的裝置。

Amphenol Time Microwave Systems 的 LP-GTR-NFF 屬於 N 型連接器直插突波保護器，採用可替換的氣體放電管。氣體管會在 DC 電壓超過 ±90 V/20 A 時破裂，並可處理高達 50 W 的突波。可直插並具有從 DC 至 3 GHz 的頻寬，插入損耗在高達 1 GHz 時為 0.1 dB，高達 3 GHz 時為 0.2 dB (圖 11)。

圖 11：Amphenol Times Microwave Systems 的 LP-GTR-NFF 突波保護器屬於直插 N 型連接器裝置，可用來保護同軸線路，以免受到高達 50 W 的暫態突波影響。(圖片來源： Amphenol Times Microwave Systems)

突波保護器一般安裝在 L 架上，且使用大型低電感值導線與低阻抗值接地達到電氣及機械性固定。務必注意，接地連接的品質會影響突波保護器的效能。

直插衰減器

衰減器會降低訊號的功率位準，又不會讓訊號波形失真。同軸直插款式提供固定的衰減，且提供多種連接器類型，以及多樣化的插頭與插孔配置。

Crystek Corporation 的 CATTEN-03R0-BNC 屬於 3 dB、50 Ω、BNC 衰減器，頻寬介於 0 至 1 GHz，功率額定值為 2 W (圖 12)。這是此產品系列 13 個衰減器型號之一，且此系列的衰減值介於 1 至 20 dB。

圖 12：Crystek 的 CATTEN-03RO-BNC 屬於直插同軸 BNC 3 dB 衰減器，頻寬介於 0 至 1 GHz。(圖片來源：Crystek Corporation)

直插衰減器的主要用途降低訊號的功率位準，次要用途則可在串聯裝置的阻抗之間提供隔離，亦可用來降低阻抗不匹配及不必要的反射。

試想將匹配的 3 dB 衰減器插入到不匹配負載阻抗之前。此衰減器的輸入訊號在傳播到不匹配負載的過程中，會由衰減器降低 3 dB。假設不匹配屬於一種開路，因此整個訊號會透過衰減器在負載反射並回彈，然後再次於衰減器的輸入端遭受 3 dB 的損耗。衰減器輸入端的回波損耗有 6 dB 的改善。在衰減器輸入端觀察到的不匹配，改善的程度等於衰減器數值的兩倍；在此例中，總共減少 6 dB。

此技術有個缺點，就是訊號振幅降低 3 dB，必須在網路中其他地方進行補償。Crystek 的 CATTEN-03R0-BNC 可在此應用中良好發揮。

結論

將儀器或其他裝置連接同軸配接器時，設計人員及其他設備使用者必須瞭解傳輸線的基礎知識。瞭解相關知識後，使用者才能進一步發揮這些實用元件的優勢及其眾多用途，包括不同的連接器類型與特性阻抗、訊號分支、濾波、突波保護、訊號衰減，以及 DC 控制與隔離。